物联网技术与应用第4章288

移动通信网络移动通信网络 4.1短距离无线通信短距离无线通信 4.2无线传感器网络无线传感器网络 4.3 u覆盖广覆盖广u建设成本低建设成本低u部署方便部署方便u具备移动性具备移动性 物联网的终端都需要以某种方式连物联网的终端都需要以某种方式连接起来，发送或者接收数据。移动通信接起来，发送或者接收数据。移动通信网是适合物联网组网特点的通信和联网网是适合物联网组网特点的通信和联网方式。方式。u方便性：不需要数据线连接方便性：不需要数据线连接u信息基础设施的可用性：不是所有地方信息基础设施的可用性：不是所有地方都有方便的固定接入能力都有方便的固定接入能力u 一些应用场景本身需要随时监控的目标一些应用场景本身需要随时监控的目标就是在移动状态下就是在移动状态下移动通信网络将是物联网主要的接入手段移动通信网络将是物联网主要的接入手段 u移动通信的基本原理移动通信的基本原理u移动通信的特点移动通信的特点u移动通信网络的发展历程移动通信网络的发展历程u宽带移动通信系统的标准演进、网络架宽带移动通信系统的标准演进、网络架构和技术特点构和技术特点u1897年，马可尼在陆地和一艘拖船上完成无线通信实年，马可尼在陆地和一艘拖船上完成无线通信实验，标志无线通信的开始验，标志无线通信的开始u1928年，美国警用车辆的车载无线电系统，标志移动年，美国警用车辆的车载无线电系统，标志移动通信开始通信开始u1946年年，Bell实验室在圣路易斯建立第一个公用汽车电实验室在圣路易斯建立第一个公用汽车电话网，话网，1960s，实现无线频道自动选择域公用电话网自实现无线频道自动选择域公用电话网自动拨号连接。动拨号连接。u1974年，美国年，美国Bell实验室提出蜂窝移动通信的概念实验室提出蜂窝移动通信的概念（1）移动性。）移动性。（2）电波传播条件复杂。）电波传播条件复杂。（3）噪声和干扰严重。）噪声和干扰严重。（4）系统和网络结构复杂。）系统和网络结构复杂。（5）要求频带利用率高，设备性能好。）要求频带利用率高，设备性能好。u携带信息的电磁波的传输是扩散的；携带信息的电磁波的传输是扩散的；u地理环境复杂多变，用户移动随机不可地理环境复杂多变，用户移动随机不可预测，预测，所有这些都造成了无线电波传输的损耗。所有这些都造成了无线电波传输的损耗。u基站天线、移动用户天线和这两端天线基站天线、移动用户天线和这两端天线之间的传播路径称之为无线移动信道。之间的传播路径称之为无线移动信道。u多径信号经过不同的路径到达接收端时多径信号经过不同的路径到达接收端时，具有不同的时延和入射角，这将导致，具有不同的时延和入射角，这将导致接收信号的时延扩展和角度扩展。接收信号的时延扩展和角度扩展。u多普勒效应多普勒效应 三类损耗三类损耗u路径传播损耗路径传播损耗 u大尺度衰落损耗大尺度衰落损耗 u小尺度衰落损耗小尺度衰落损耗 四种效应四种效应u阴影效应阴影效应u远近效应远近效应u多径效应多径效应u多普勒效应多普勒效应u蜂窝系统的概念和理论在蜂窝系统的概念和理论在20世纪世纪60年代年代就由美国贝尔实验室等单位提了出来，就由美国贝尔实验室等单位提了出来，但其复杂的控制系统直到但其复杂的控制系统直到20世纪世纪70年代年代才大规模实现。才大规模实现。u小区制蜂窝通信具有小覆盖、小发射功小区制蜂窝通信具有小覆盖、小发射功率和资源重用等优点，决定了它在现代率和资源重用等优点，决定了它在现代移动通信中的重要作用。移动通信中的重要作用。现代移动通信发展主要经历了三个阶段现代移动通信发展主要经历了三个阶段u第一代移动通信系统第一代移动通信系统 u第二代移动通信系统第二代移动通信系统 u第三代移动通信系统第三代移动通信系统 u解决了用户移动性的基本问题解决了用户移动性的基本问题u蜂窝小区系统设计蜂窝小区系统设计:频率复用频率复用 -解决大容量需求与有限频谱资源的矛盾解决大容量需求与有限频谱资源的矛盾u多址方式：多址方式：FDMAu模拟系统模拟系统 -FM调制、模拟电路交换、模拟语音信号调制、模拟电路交换、模拟语音信号u业务功能：单一通话业务功能：单一通话u第一阶段是模拟蜂窝移动通信网，时间第一阶段是模拟蜂窝移动通信网，时间是是20世纪世纪70年代中期至年代中期至80年代中期。年代中期。u模拟系统有以下缺点：频谱利用率低；模拟系统有以下缺点：频谱利用率低；业务种类有限；无高速数据业务；保密业务种类有限；无高速数据业务；保密性差，易被窃听和盗号；设备成本高；性差，易被窃听和盗号；设备成本高；体积大，重量大。体积大，重量大。u数字化通信数字化通信 语音信号数字化、数字式电路交换、数语音信号数字化、数字式电路交换、数字式调制字式调制u多址方式：多址方式：TDMA，CDMAu微蜂窝小区结构：提高用户数量微蜂窝小区结构：提高用户数量u采用了一系列数字处理技术来有效提高采用了一系列数字处理技术来有效提高通信质量通信质量 纠错编码、交织、自适应均衡、分集等纠错编码、交织、自适应均衡、分集等u业务类型：以通话为主，还有低速数据业务类型：以通话为主，还有低速数据业务业务 GSM IS-54 PDC IS-95 引入年代 1990 1991 1993 1993 使用频谱(MHz)890915(反向)935960(前向)824849(反向)869894(前向)810830(反向)14291453(反向)940960(前向)14771501(前向)824849(反向)869894(前向)调制方式 GMSK(BT=0.3)/4 DQPSK/4 DQPSK OQPSK(反向)QPSK(前向)成形滤波器 高斯 开方升余弦 开方升余弦 开方升余弦 载波带宽 200 kHz 30 kHz 25 kHz 1250 kHz 信道数据速率 270.8 kbps 48.6 kbps 42 kbps 1228.8 kbps 语音编码方式 RELP-LTP VSELP VSELP QCELP 语音编码速率 13 kbps 8 kbps 6.7 kbps 8 kbps 信道编码 CRC+卷积码(r=1/2，K=5)CRC+卷积码(r=1/2，K=6)CRC+卷积码 CRC+卷积码(r=1/3，K=9 反向)(r=1/2，K=9 前向)均衡器类型 自适应 自适应 自适应 u以以GSM和和IS-95为代表的第二代移动通信为代表的第二代移动通信系统，时间是从系统，时间是从20世纪世纪80年代中期开始年代中期开始 u从从1996年开始，为了解决中速数据传输年开始，为了解决中速数据传输问题，又出现了问题，又出现了2.5G移动通信系统，如移动通信系统，如GPRS和和IS-95B。u系统容量大：系统容量大：比模拟网大比模拟网大10倍，比倍，比GSM大大4.5倍倍 u系统通信质量更佳系统通信质量更佳：软切换技术：软切换技术 u频率规划灵活频率规划灵活 u适用于多媒体通信系统：适用于多媒体通信系统：多多CDMA信道方式、多信道方式、多CDMA帧方式帧方式u以以多媒体多媒体(Multi-media)综合服务业务为综合服务业务为主要特征主要特征会话型、数据流型、互动型、后台类型会话型、数据流型、互动型、后台类型u主要以宽带主要以宽带CDMA技术为基础技术为基础 WCDMA、CDMA2000、TDSCDMA、WiMax等等u多址方式：多址方式：TDMA/CDMA/OFDMAu电路交换电路交换分组交换分组交换u引入多种新技术引入多种新技术智能天线、发端分集、空时码、智能天线、发端分集、空时码、OVSFOVSF多址码等多址码等u能实现全球漫游能实现全球漫游u能提供多种业务能提供多种业务u能适应多种环境能适应多种环境u足够的系统容量足够的系统容量u第三代移动通信系统的概念是国际电联（第三代移动通信系统的概念是国际电联（ITUITU）早在早在19851985年就提出的，当时称为未来公共陆地年就提出的，当时称为未来公共陆地移动通信系统（移动通信系统（FPLMTSFPLMTS）,19961996年更名为年更名为IMT-IMT-20002000，在欧洲称其为个人移动通信系统在欧洲称其为个人移动通信系统（UMTSUMTS）。）。uIMT-2000的宗旨是建立全球的综合性个人通的宗旨是建立全球的综合性个人通信网，提供多种业务，尤其是多媒体和高比特信网，提供多种业务，尤其是多媒体和高比特率分组数据业务并实现全球无缝覆盖。率分组数据业务并实现全球无缝覆盖。u2000年年5月举行的月举行的ITU-T 2000年全会上，被正年全会上，被正式命名为式命名为IMT-2000无线接口技术规范无线接口技术规范u2007年年10月，月，ITU在日内瓦举行的无线通信全在日内瓦举行的无线通信全体会议上，与会国家通过投票正式通过无线宽体会议上，与会国家通过投票正式通过无线宽带技术带技术WiMAX成为成为3G标准标准 u2008年全球移动大会上，主流设备厂商不约而年全球移动大会上，主流设备厂商不约而同地发布了同地发布了LTE的研究成果和后续演进策略的研究成果和后续演进策略 IMT-2000 CDMAFDD DSWCDMAFDD MCcdma2000TDDTD-SCDMATD-CDMAIMT-2000TDMATDMA MCUWC-136TDMA SCEP-DECTu移动通信网络将成为物联网最重要的信移动通信网络将成为物联网最重要的信息基础设施，为人与人之间通信、人与息基础设施，为人与人之间通信、人与网络之间的通信、物与物之间的通信提网络之间的通信、物与物之间的通信提供服务供服务 u工业和信息化部领导在工业和信息化部领导在2009年年“全国工全国工业和信息化工作会议业和信息化工作会议”上指出，上指出，2010年年将推进国家传感信息中心建设，促进物将推进国家传感信息中心建设，促进物联网与互联网、移动互联网融合发展联网与互联网、移动互联网融合发展 u1985：FPLMTS，1996更名为IMT-2000u1992：WRC92大会分配频谱230MHzu1999.3：完成IMT-2000 RTT关键参数u1999.11：完成IMT-2000 RTT技术规范u2000：完成IMT2000全部网络标准u成立3GPP(1998.12)、3GPP2(1999)等标准化组织信道带宽信道带宽 5MHz 双工方式双工方式 FDD或或TDD 码元速率码元速率 384Mchip/s 帧长帧长 10ms 下行链路和下行链路和RF信道结信道结构构 直扩直扩 扩频调制方式扩频调制方式 上行：双信道上行：双信道QPSK；下行：平衡下行：平衡QPSK；复扩频电路复扩频电路 数据调制方式数据调制方式 上行：上行：BPSK；下行：下行：QPSK 信道编码信道编码 交织或交织或turbo码码 相干检测相干检测 上上/下行：用户专用的时间复用导频下行：用户专用的时间复用导频；下行：共用导频下行：共用导频 上行信道复用上行信道复用 控制和导频信道时分复用；数据和控制信道控制和导频信道时分复用；数据和控制信道I&Q复用复用 下行信道复用下行信道复用 数据和控制信道时分复用数据和控制信道时分复用 多速率多速率 可变扩频和多码可变扩频和多码 扩频因子扩频因子 4256 功率控制功率控制 开环和快速闭环开环和快速闭环(1.6KHz)下行扩频码下行扩频码 可变长度的正交序列码可变长度的正交序列码(OVSF)划分信道，划分信道，2181的的Gold序列码区分小区和序列码区分小区和用户用户上行扩频码上行扩频码 可变长度的正交序列码可变长度的正交序列码(OVSF)划分信道，划分信道，2411的的Gold序列区分用户序列区分用户切换切换 软切换软切换，频率间切换频率间切换 u接入部分接入部分 全新的全新的5MHz/载频的载频的宽宽带码分多址接入网；带码分多址接入网；功功率率控制；软切换；更软切换控制；软切换；更软切换u核心网核心网 电路域与电路域与GSM完全兼容；相对于完全兼容；相对于GPRS，增加，增加了服务级别的概念了服务级别的概念u系统系统 采用分组域和电路域分别承载与处理的方式采用分组域和电路域分别承载与处理的方式u目前的商业部署全都采用了目前的商业部署全都采用了R99 u加入低码片速率加入低码片速率TDD模式（模式（LCR TDD），即），即由我国提出的由我国提出的TD-SCDMAu引入直放站来解决复杂地形覆盖问题引入直放站来解决复杂地形覆盖问题u引入扇区降低终端和基站的发射功率的方法以引入扇区降低终端和基站的发射功率的方法以提高容量提高容量u通过通过Node B同步减少系统邻近小区的交调干扰同步减少系统邻近小区的交调干扰，降低传输网络的成本，降低传输网络的成本u引入引入Iub和和Iur上的上的AAL2连接的连接的QoS优化优化 u电路域核心网中引入了基于软交换架构电路域核心网中引入了基于软交换架构的分层架构，使电路交换域和分组交换的分层架构，使电路交换域和分组交换域可以承载在一个公共的分组骨干网上域可以承载在一个公共的分组骨干网上 u主要实现了话音、数据、信令承载统一主要实现了话音、数据、信令承载统一u提高了组网的灵活性提高了组网的灵活性 u高速下行分组接入（高速下行分组接入（HSDPA）的功能，）的功能，下行理论峰值数据速率可高达下行理论峰值数据速率可高达14.4Mbit/s u涉及的关键技术涉及的关键技术u 自适应编码调制自适应编码调制u HARQu 快速蜂窝选择（快速蜂窝选择（FCS）u MIMO uR5协议引入了协议引入了IP多媒体子系统（多媒体子系统（IMS）u由由CSCF、MGCF、MRF和和HSS功能实体组成功能实体组成u为多媒体业务提供支持为多媒体业务提供支持u呼叫控制功能呼叫控制功能u与传统网络进行互通与传统网络进行互通u实现其他资源密集型功能实现其他资源密集型功能u信令实体（信令实体（CSCF）与媒体处理是完全分离的）与媒体处理是完全分离的 u引入高速上行分组接入引入高速上行分组接入(HSUPA）u提供多媒体广播和多播业务（提供多媒体广播和多播业务（MBMS）u进入进入IMS第二阶段第二阶段 u支持支持WLAN-UMTS互通互通 u增强增强QoS u通用移动通信系统通用移动通信系统（UMTS）是采用）是采用WCDMA空中接口技术的第三代移动通空中接口技术的第三代移动通信系统信系统 uUMTS系统系统 由陆地无线接入网（由陆地无线接入网（UTRAN）和核心网络（）和核心网络（CN）构成）构成 UEuUE是用户终端设备是用户终端设备 uUE从逻辑上包括移动设备（从逻辑上包括移动设备（ME）和用户身份）和用户身份模块（模块（SIM）UTRANu由基站（由基站（Node B）和无线网络控制器（）和无线网络控制器（RNC）组成）组成 uNode B是是WCDMA系统的基站系统的基站 uRNC是无线网络控制器是无线网络控制器 CNuCN即核心网络，负责与其他网络的连接和对即核心网络，负责与其他网络的连接和对UE的通信和管理的通信和管理 uMSC/VLR是是CS域功能节点域功能节点 uGMSC是是CS域与外部网络之间的网关节点域与外部网络之间的网关节点 uSGSN（服务（服务GPRS支持节点）是支持节点）是PS域功能节域功能节点点 uGSN（网关（网关GPRS支持节点）是支持节点）是PS域功能节点域功能节点 uHLR（归属位置寄存器）是（归属位置寄存器）是CS域和域和PS域共有域共有的功能节点的功能节点 External Networksu外部网络，可以分为电路交换网络（外部网络，可以分为电路交换网络（CS Networks）和分组交换网络（）和分组交换网络（PS Networks）两类）两类 u美国美国TIA提出，可从提出，可从IS-95和和IS-95B平滑平滑过渡，升级简单过渡，升级简单ucdma2000 1x采用采用1.25M的带宽的带宽ucdma2000 1xEV DO可支持可支持2.4Mb/s的数的数据速率，据速率，cdma2000 1xEV DV可支持话可支持话音和数据音和数据ucdma2000 3x采用采用3个个1.25M的带宽进行传的带宽进行传输输。CDMA20001X CDMA20003X 信号带宽信号带宽 1.25MHZ 31.25=3.75MHz 下行链路下行链路RF信道结构信道结构 直接扩频直接扩频 多载波扩频多载波扩频 码片速率码片速率 上上/下行：下行：1.2288Mcps 下行：下行：1.2288Mcps，上行：，上行：3.6864Mcps 定时定时 同步同步(定时驱动，例如从定时驱动，例如从GPS来的定时来的定时)帧长帧长 20ms/5ms 可选可选 扩频调制扩频调制 下行：平衡下行：平衡QPSK，上行：具有混合相移链控的双信道，上行：具有混合相移链控的双信道QPSK 数据调制数据调制 下行：下行：QPSK，上行：，上行：BPSK 相干检测相干检测 下行：公共连续导频信道和辅助导频，上行：导频符号，即导频和功控下行：公共连续导频信道和辅助导频，上行：导频符号，即导频和功控以及以及EIB时分复用时分复用 上行信道复用上行信道复用 控制、导频、基本和辅助码复用，控制、导频、基本和辅助码复用，I和和Q复用数据与控制信道复用数据与控制信道 多速率多速率 可变扩频增益和多码可变扩频增益和多码 扩频因子扩频因子 4256 功率控制功率控制 开环和快速闭环开环和快速闭环(800Hz，1.25ms)扩频码扩频码(下行下行)信道扩频码：可变长度正交信道扩频码：可变长度正交Walsh码；码；基站基站(小区小区)扩频码：扩频码：，m m序列且序列且I I与与Q Q用不同序列用不同序列 （在码字受限时，采用准正交函数（在码字受限时，采用准正交函数QoFQoF ）扩频码扩频码(上行上行)用户扩频码：用户扩频码：(不同时间偏移并截短用于用户不同时间偏移并截短用于用户)切换切换 扇区间，小区间软切换，频段间硬切换扇区间，小区间软切换，频段间硬切换 发分集发分集 正交发分集，空时扩展发分集正交发分集，空时扩展发分集 载波解复用，用不同天线发射载波解复用，用不同天线发射 cdmaOneucdmaOne是基于是基于IS-95标准的各种标准的各种CDMA产品产品的总称，的总称，IS-95B可提供实现可提供实现64kbit/s cdma2000 1xucdma2000 1x具有具有3G系统的部分功能，系统的部分功能，cdma2000 1x完全兼容完全兼容 IS-95系统功能系统功能 1x EV-DOu1x EV-DO是一种专为高速分组数据传送而优是一种专为高速分组数据传送而优化设计的化设计的cdma2000空中接口技术空中接口技术 u在网络结构方面，在网络结构方面，1x EV-DO与与cdma2000 1x的无线接入网在逻辑功能上的无线接入网在逻辑功能上是相互独立的是相互独立的 u1x EV-DO可以作为高速分组数据业务的可以作为高速分组数据业务的专用网专用网 1x EV-DVu在在cdma2000 1x载波基础上提升前向和反载波基础上提升前向和反向分组传送的速率和提供业务向分组传送的速率和提供业务QoS保证保证（1）TD-SCDMA的演进的演进uIMT-2000 CDMA TD为为TDD方式方式，2001年年3月月3GPP通过通过R4版本，版本，TD-SCDMA被接纳为正式被接纳为正式标准标准 uTD-SCDMA采用直接序列扩频、低码片速率采用直接序列扩频、低码片速率的的TDD（时分双工）模式（时分双工）模式 uTD-SCDMA不需要成对的工作频段，这对缓不需要成对的工作频段，这对缓解当前移动频段资源紧张的问题是极为重要的解当前移动频段资源紧张的问题是极为重要的 UTRA TDDTD-SCDMA备注备注 占用带宽占用带宽/MHz 51.6每载波码片速率每载波码片速率/MCPS 3.841.28扩频方式扩频方式 DS，SF=1/2/4/8/16DS，SF=1/2/4/8/16调制方式调制方式 QPSKQPSK信道编码信道编码 卷积码：卷积码：R=1/2，1/3，turbo码码卷积码：卷积码：R=1/2，1/3，turbo码码帧结构帧结构/ms 系统帧系统帧720，无线帧，无线帧10系统帧系统帧720，无线帧，无线帧10交织交织/ms 10/20/40/8010/20/40/80时隙数时隙数 157上行同步上行同步 8chip1/2chip容量容量(每时隙话音信道数每时隙话音信道数)816同时工作同时工作 每载波话音信道数每载波话音信道数 5648对称业务对称业务 容量容量(每时隙总传输速率每时隙总传输速率)220.8kbps 281.6kbps 数据业务数据业务 每载波总传输速率每载波总传输速率 3.31Mbps 1.971Mbps 数据业务数据业务 话音频谱利用率话音频谱利用率/10 25 对称话音业务对称话音业务 数据频谱利用率数据频谱利用率/0.662 1.232 不对称话音业务不对称话音业务 智能天线智能天线 较困难较困难 容易容易 多址方式多址方式 CDMA+TDMA SCDMA+CDMA+TDMA TD-SCDMA阶段阶段u智能天线、联合检测、动态信道分配、软件无智能天线、联合检测、动态信道分配、软件无线电、上行同步码分多址技术、接力切换、低线电、上行同步码分多址技术、接力切换、低码片速率、多时隙、可变扩频、自适应功率调码片速率、多时隙、可变扩频、自适应功率调整、整、3GPP提出的高层协议、核心网提出的高层协议、核心网 HSPA TDD阶段阶段u第二阶段主要包括引入高速下行分组接入（第二阶段主要包括引入高速下行分组接入（HSDPA）和高速上行分组接入（）和高速上行分组接入（HSUPA）LTE TDD阶段阶段uLTE TDD是是TD-SCDMA在向在向4G系统演系统演进过程中的过渡阶段进过程中的过渡阶段 uMIMO-OFDMA是下一代通信系统中最是下一代通信系统中最具有革命性的技术具有革命性的技术 TDD B3G/4Gu基于基于TD-SCDMA的后的后3G或者或者4G系统来系统来说，将采用说，将采用TDD模式模式 多用户检测多用户检测u宽带宽带CDMA通信系统中抗干扰的关键技术通信系统中抗干扰的关键技术 智能天线智能天线u典型的典型的TD-SCDMA系统配置的智能天线是由系统配置的智能天线是由8个天线元素组成的天线阵列个天线元素组成的天线阵列 软件无线电软件无线电u软件无线电是一种具有开放式结构的将标准化软件无线电是一种具有开放式结构的将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的新技术电通信系统的新技术 动态信道分配动态信道分配（DCA）u目的是进一步减少干扰，增加系统容量目的是进一步减少干扰，增加系统容量 接力切换接力切换 uTD-SCDMA系统的关键特征，该技术利系统的关键特征，该技术利用了软切换与硬切换技术的优点用了软切换与硬切换技术的优点 IS-95G SMIS-136&PD CIS-95BH SC SDE D G EG PR Scdm a2000-1xR T T3gpp2cdm a2000-1xE V,D V,D Ocdm a2000-3xR T TW C D M A3gppT D-SC D M AE D G E 全名是全名是World wide Interoperability World wide Interoperability for Microwave Accessfor Microwave Access（全球微波接入全球微波接入的互操作性），是基于的互操作性），是基于IEEE 802.16eIEEE 802.16e系系列宽频无线标准为基础的宽带无线技术列宽频无线标准为基础的宽带无线技术u1999年，年，IEEE 802局域网（局域网（LAN）/城域城域网（网（MAN）成立了）成立了802.16工作组来专门工作组来专门研究宽带无线接入标准研究宽带无线接入标准 u一些世界知名通信企业联合发起了全球一些世界知名通信企业联合发起了全球微波接入互操作性论坛，在全球范围内微波接入互操作性论坛，在全球范围内推广推广802.16协议协议 IEEE 802.16d协议协议 u物理层定义了两种双工方式：物理层定义了两种双工方式：TDD和和FDD uMAC层分为了层分为了3个子层：业务汇聚子层（个子层：业务汇聚子层（CS）、公共部分子层（、公共部分子层（CPS）和安全子层（）和安全子层（SS）IEEE 802.16e协议协议 u协议栈模型和协议栈模型和802.16d相同相同 u支持不同数量子载波的支持不同数量子载波的OFDMA u增强安全性增强安全性 接入服务网接入服务网（ASN）uASN为为MS提供无线接入提供无线接入 连接服务网（连接服务网（CSN）uCSN为为MS提供提供IP连接连接 网络接入提供者网络接入提供者（NAP）uNAP是一种运营实体是一种运营实体 网络服务提供者（网络服务提供者（NSP)uNSP是一种运营实体是一种运营实体应用服务提供者应用服务提供者(ASP)uASP的主要功能是提供增值业务以及三的主要功能是提供增值业务以及三层之上的业务层之上的业务 网络参考点网络参考点 u第三代移动通信系统普遍采用的是码分多址（第三代移动通信系统普遍采用的是码分多址（CDMA）技术，此技术能支持的最大系统带宽）技术，此技术能支持的最大系统带宽为为5MHz u2004年底，第三代合作伙伴计划（年底，第三代合作伙伴计划（3GPP）提）提出了通用移动通信系统（出了通用移动通信系统（UMTS）的长期演进）的长期演进（LTE）项目）项目 u长期演进（长期演进（LTE）项目、超移动宽带（）项目、超移动宽带（UMB）技术、）技术、WiMAX技术、技术、802.20移动宽带频分移动宽带频分双工双工/移动宽带时分双工（移动宽带时分双工（Mobile Broadband FDD/TDD）等技术构成）等技术构成“准准4G”技术技术 系统性能需求系统性能需求u峰值速率峰值速率u用户吞吐量和频谱效率用户吞吐量和频谱效率 u移动性移动性u用户面延时用户面延时 u控制面延时和容量控制面延时和容量 部署成本和互操作性部署成本和互操作性u上行和下行都可以工作在广泛频带内以上行和下行都可以工作在广泛频带内以及适应各种带宽的频谱分配及适应各种带宽的频谱分配 uLTE设计同时支持设计同时支持FDD、TDD和半双工和半双工FDD模式模式 多址技术多址技术 u下行采用的是正交频分多址接入（下行采用的是正交频分多址接入（OFDMA）技术技术 u系统的峰均功率比（系统的峰均功率比（PAPR）过高问题的解决）过高问题的解决 多天线技术多天线技术u增益来源：复用增益增益来源：复用增益、分集增益、分集增益、天线增益、天线增益 u下行下行MIMO技术支持技术支持2 2（两发两收）基本（两发两收）基本天线配置天线配置 u上行基本天线配置为上行基本天线配置为1 2 干扰抑制技术干扰抑制技术uLTE在在eNode B间引入间引入X2接口接口，以降低小区间，以降低小区间干扰干扰 图图 4-6 短距离无线通信技术一览短距离无线通信技术一览 ZigBee技术的名字来源于蜂群使用的技术的名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式。赖以生存和发展的通信方式。ZigBee是基于是基于IEEE 802.15.4无线标准无线标准研制开发的。研制开发的。802.15.4仅仅定义了物理层和仅仅定义了物理层和MAC层，并不足以保证不同的设备之间可层，并不足以保证不同的设备之间可以对话，于是便有了以对话，于是便有了ZigBee。ZigBee技术具有以下优势：技术具有以下优势：（1）低功耗）低功耗 ZigBee主要通过降低传输的数据量、主要通过降低传输的数据量、降低收发信机的忙闲比及数据传输的频率、降低收发信机的忙闲比及数据传输的频率、降低帧开销以及实行严格的功率管理机制降低帧开销以及实行严格的功率管理机制来降低设备的功耗。来降低设备的功耗。（2）工作可靠工作可靠 ZigBee采用了载波侦听多址采用了载波侦听多址/冲突避免冲突避免（CSMA/CA）的信道接入方式和完全握）的信道接入方式和完全握手协议。手协议。MAC层采用了回复确认的数据传输机层采用了回复确认的数据传输机制，提高了可靠性。制，提高了可靠性。（3）成本低成本低 主机芯片成本低，其他终端成本低。主机芯片成本低，其他终端成本低。（4）网络容量大）网络容量大 每个每个ZigBee网络最多可支持网络最多可支持65000个节个节点。点。（5）有效范围大）有效范围大 可多级拓展。可多级拓展。（6）时延短）时延短 对时延敏感的应用做了优化。对时延敏感的应用做了优化。（7）优良的拓扑能力）优良的拓扑能力 ZigBee具有组成星、网和簇树网络结具有组成星、网和簇树网络结 构能力。还具有无线网络自愈能力。构能力。还具有无线网络自愈能力。（8）安全性较好）安全性较好 ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权提供了数据完整性检查和鉴权能力，加密算法采用通用的能力，加密算法采用通用的AES-128。（9）工作频段灵活）工作频段灵活 使用的频段分别为使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及（欧洲）及915MHz（美国），均为免执（美国），均为免执照频段。照频段。（1）ZigBee的网络组成和网络拓扑的网络组成和网络拓扑 利用利用ZigBee技术组成的无线个人局域技术组成的无线个人局域网（网（WPAN）是一种低速率的无线个人区）是一种低速率的无线个人区域网（域网（LR-WPAN）。）。LR-WPAN网状结构简单、成本低廉，网状结构简单、成本低廉，具有有限的功率和灵活的吞吐量。具有有限的功率和灵活的吞吐量。在一个在一个LR-WPAN网络中，可同时存在网络中，可同时存在两种不同类型的设备两种不同类型的设备:全功能设备（全功能设备（Full Functional Device，FFD）精简功能设备（精简功能设备（Reduced Function Device，RFD）。）。FFD通常有通常有3种状态：种状态：作为一个主协调器；作为一个主协调器；作为一个协调器；作为一个协调器；作为一个终端设备。作为一个终端设备。一个一个FFD可以同时和多个可以同时和多个RFD或多个或多个其他的其他的FFD通信，而通信，而RFD只能和一个只能和一个FFD进行通信。进行通信。RFD的应用非常简单，容易实现，且的应用非常简单，容易实现，且RFD仅需要使用较小的资源和存储空间，仅需要使用较小的资源和存储空间，这样就可非常容易地组建一个低成本、低这样就可非常容易地组建一个低成本、低功耗的无线通信网络。功耗的无线通信网络。图图 4-7 ZigBee技术的三种网络拓扑结构技术的三种网络拓扑结构 ZigBee支持支持3种拓扑结构，如图种拓扑结构，如图4-7所示，所示，包括星形、网状形和簇树形结构。包括星形、网状形和簇树形结构。在星形拓扑结构中，整个网络由一个在星形拓扑结构中，整个网络由一个网络协调器来控制。在网状形和簇树形拓网络协调器来控制。在网状形和簇树形拓扑结构中，扑结构中，ZigBee协调器负责启动网络以协调器负责启动网络以及选择关键的网络参数。及选择关键的网络参数。星形网络是一种常用且适用于长期运星形网络是一种常用且适用于长期运行使用操作的网络；网状形网络是一种高行使用操作的网络；网状形网络是一种高可靠性监测网络；簇树形网络是星形和网可靠性监测网络；簇树形网络是星形和网状形的混合型拓扑网络，结合了上述两种状形的混合型拓扑网络，结合了上述两种拓扑的优点。拓扑的优点。可以根据实际应用需要来选择合适的可以根据实际应用需要来选择合适的网络结构。网络结构。（2）ZigBee的协议架构的协议架构 ZigBee的协议架构如图的协议架构如图4-8所示，采用所示，采用了了IEEE 802.15.4制定的物理层和制定的物理层和MAC层作层作为为ZigBee技术的物理层和技术的物理层和MAC层。层。图图 4-8 ZigBee协议架构示意图协议架构示意图（3）IEEE 802.15.4协议协议 IEEE 802.15.4标准定义了标准定义了ZigBee物理物理层和层和MAC子层，符合开放系统互联模型子层，符合开放系统互联模型（OSI）。）。IEEE 802.15.4的物理层提供两类服务：的物理层提供两类服务：物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务和物理层管理服务。物理层功能包括无线收发信机的开启和物理层功能包括无线收发信机的开启和关闭、能量检测（关闭、能量检测（ED）链路质量指示）链路质量指示（LQI）、信道评估（）、信道评估（CCA）和通过物理）和通过物理媒体收发数据包。媒体收发数据包。图图 4-9 IEEE 802.15.4中两个不同的物理层中两个不同的物理层如图如图4-9所示，所示，IEEE 802.15.4定义了定义了两种不同工作频段的物理层：两种不同工作频段的物理层：868/915MHz和和2450MHz。表表4-1给出了各国对给出了各国对ZigBee频率工作范频率工作范围的划分。围的划分。工作频率范围工作频率范围/MHz/MHz 频频 段段 类类 型型 国家和地区国家和地区 868868.6 ISM 欧洲欧洲 902928 ISM 北美北美 24002483.5 ISM 全球全球 表表 4-1 各个国家和地区各个国家和地区ZigBee频率工作范围频率工作范围 由于各个国家和地区采用的工作频率由于各个国家和地区采用的工作频率范围不同，为了提高数据传输速率，范围不同，为了提高数据传输速率，IEEE 802.15.4对于不同的频率范围，规定了不同对于不同的频率范围，规定了不同的调制方式。具体的内容如表的调制方式。具体的内容如表4-2所示。所示。表表 4-2 各个国家和地区各个国家和地区ZigBee频率工作范围频率工作范围 频段频段（MHz）扩扩 展展 参参 数数 数数 据据 参参 数数码片速率码片速率（kchip/s）调调 制制比特速率比特速率（kbit/s）符号速率符号速率（kBaud/s）符符 号号868868.6 300BPSK2020二进制二进制902928 600BPSK4040二进制二进制24002483.5 2000O-QPSK25062.516相正交相正交（4）ZigBee的上层协议的上层协议 应用层包括应用层包括3个组成部分：个组成部分：应用支持子层（应用支持子层（APS）应用框架应用框架 ZigBee设备对象（设备对象（ZDO）ZigBee中定义了中定义了3种密钥：种密钥：网络密钥网络密钥-用在数据链路层、网络层和应用在数据链路层、网络层和应用层中。用层中。链路密钥链路密钥-应用在应用层。应用在应用层。主密钥主密钥-应用在应用层。应用在应用层。（1 1）家庭自动化）家庭自动化 图图 4-10 ZigBee在家庭自动化中的应用在家庭自动化中的应用（2 2）无线定位）无线定位 图图 4-11 ZigBee在无线定位中的应用在无线定位中的应用（3 3）工业领域）工业领域 图图 4-12 ZigBee在智能能源中的应用在智能能源中的应用1Bluetooth的来源与特点的来源与特点 爱立信、爱立信、IBM、Intel、Nokia和东芝五和东芝五家公司于家公司于19981998年年5 5月联合成立了月联合成立了Bluetooth（蓝牙）特别兴趣小组（蓝牙）特别兴趣小组（Bluetooth Special Interest Group，BSIG），并制订了短距离），并制订了短距离无线通信技术标准无线通信技术标准蓝牙技术。蓝牙技术。所谓蓝牙（所谓蓝牙（Bluetooth）技术，实际上）技术，实际上是一种短距离无线电技术。是一种短距离无线电技术。蓝牙技术利用短距离、低成本的无线蓝牙技术利用短距离、低成本的无线连接替代了电缆连接，从而为现存的数据连接替代了电缆连接，从而为现存的数据网络和小型的外围设备提供了统一的连接网络和小型的外围设备提供了统一的连接。Bluetooth的主要技术特点：的主要技术特点：（1）拓扑结构）拓扑结构蓝牙技术支持点对点或点对多点的话蓝牙技术支持点对点或点对多点的话音、数据业务音、数据业务，采用一种灵活的无基站采用一种灵活的无基站的组网方式，如图的组网方式，如图4-13和图和图4-14所示。所示。图图 4-13 多个多个 蓝牙设备组成的微微网蓝牙设备组成的微微网 图图 4-14 多个微微网组成的散射网多个微微网组成的散射网（2）系统组成）系统组成 蓝牙系统一般由天线单元、链路控制蓝牙系统一般由天线单元、链路控制（硬件）、链路管理（软件）和蓝牙软件（硬件）、链路管理（软件）和蓝牙软件（协议）等（协议）等4个功能模块组成。个功能模块组成。如图如图4-15所示：所示：图图 4-15 蓝牙系统的组成蓝牙系统的组成天线部分体积小巧，属于微带天线。天线部分体积小巧，属于微带天线。链路控制器（链路控制器（LC）的单元包括）的单元包括3个集成芯个集成芯片：连接控制器、基带处理器以及射频传片：连接控制器、基带处理器以及射频传输输/接收器，此外，还使用了单独调谐元件接收器，此外，还使用了单独调谐元件。链路管理（链路管理（LM）提供的服务有：）提供的服务有：发送和接收数据、请求名称、链路地址查发送和接收数据、请求名称、链路地址查询、建立连接、鉴权、链路模式协商和建询、建立连接、鉴权、链路模式协商和建立、决定帧的类型等。立、决定帧的类型等。（3）射频特性）射频特性 蓝牙设备的工作频段选在全球通用的蓝牙设备的工作频段选在全球通用的2.4GHz的的ISM（工业、科学、医学）频段（工业、科学、医学）频段。频道采用。频道采用23个或个或79个，频道间隔均为个，频道间隔均为1MHz。采用时分双工方式。采用时分双工方式。蓝牙的无线发射机采用蓝牙的无线发射机采用FM调制方式，调制方式，从而能降低设备的复杂性。从而能降低设备的复杂性。最大发射功率分为最大发射功率分为3个等级，个等级，100mW（20dBm），），2.5mW（4dBm），），1mW（0dBm），蓝牙设备之间的有效通信距），蓝牙设备之间的有效通信距离大约为离大约为10100m。（4）跳频技术）跳频技术跳频是指在接收或发送一分组数据后跳频是指在接收或发送一分组数据后，即跳至另一频点。，即跳至另一频点。（5）TDMA结构结构 蓝牙的数据传输率为蓝牙的数据传输率为1Mbit/s，采用数，采用数据包的形式按时隙传送，每时隙据包的形式按时隙传送，每时隙0.625s。蓝牙系统支持实时的同步定向联接和蓝牙系统支持实时的同步定向联接和非实时的异步不定向联接，分别为非实时的异步不定向联接，分别为SCO链链路和路和ACL链路。链路。前者主要传送话音等实时性强的信息前者主要传送话音等实时性强的信息，后者则以数据为主。，后者则以数据为主。（6）软件的层次结构）软件的层次结构底层为各类应用所通用，高层则视具底层为各类应用所通用，高层则视具体应用而有所不同。体应用而有所不同。（7）纠错技术）纠错技术蓝牙系统的纠错机制分为前向纠错编蓝牙系统的纠错机制分为前向纠错编码（码（FEC）和包重发（）和包重发（ARQ），支持），支持1/3率和率和2/3率率FEC编码。编码。（8）编码安全）编码安全蓝牙技术在物理层、链路层、业务层蓝牙技术在物理层、链路层、业务层3个层次上提供安全措施，充分保证通信个层次上提供安全措施，充分保证通信的保密性。蓝牙规范公布的主要技术指的保密性。蓝牙规范公布的主要技术指标和系统参数如表标和系统参数如表4-3所示。所示。指指 标标 类类 型型 系系 统统 参参 数数工作频段工作频段ISM频段，频段，2.4022.480GHz双工方式双工方式全双工，全双工，TDD时分双工时分双工业务类型业务类型支持电路交换和分组交换业务支持电路交换和分组交换业务数据速率数据速率异步信道速率异步信道速率同步信道速率同步信道速率1Mbit/s非对称连接为非对称连接为721kbit/s、57.6kbit/s，对称连接为，对称连接为432.6kbit/s，2.0+EDR规范支持更高的速率规范支持更高的速率64kbit/s，2.0+EDR规范支持更高的速率规范支持更高的速率功率功率美国美国FCC要求小于要求小于0dBm（1mW），其他国家可扩展为），其他国家可扩展为100mW跳频频率数跳频频率数79个频点个频点/MHz跳频速率跳频速率1600跳跳/秒秒工作模式工作模式PARK/HOLD/SNIFF数据连接方式数据连接方式面向连接业务（面向连接业务（SCO），无连接业务（），无连接业务（ACL）纠错方式纠错方式1/3 FEC、2/3 FEC、ARQ等等信道加密信道加密采用采用0位、位、40位和位和60位密钥位密钥发射距离发射距离一般可达一般可达10cm10m，增加功率的情况下可达，增加功率的情况下可达100m 表表 4-3 主要技术指标和系统参数主要技术指标和系统参数 图图 4-16 蓝牙协议栈蓝牙协议栈蓝牙的协议体系分为四层：核心协议蓝牙的协议体系分为四层：核心协议层、替代电缆协议层、电话控制协议层层、替代电缆协议层、电话控制协议层和可选协议。和可选协议。除了以上这些协议，在基带控制器、除了以上这些协议，在基带控制器、链路控制器以及访问硬件状态和控制寄链路控制器以及访问硬件状态和控制寄存器等提供主机控制器命令接口。存器等提供主机控制器命令接口。蓝牙核心协议由蓝牙核心协议由SIG制定的蓝牙指定制定的蓝牙指定协议组成，而其他协议则根据应用的需协议组成，而其他协议则根据应用的需要而定。因此，下面主要介绍蓝牙核心要而定。因此，下面主要介绍蓝牙核心协议。协议。（1）基带协议：基带协议为两个或多个）基带协议：基带协议为两个或多个蓝牙单元之间建立物理射频连接。蓝牙单元之间建立物理射频连接。（2）链路管理协议（）链路管理协议（LMP）：链路管）：链路管理协议管理基带层内主从网络的运行，负理协议管理基带层内主从网络的运行，负责两个或多个设备之间的链路设置和控制责两个或多个设备之间的链路设置和控制，包括传递验证和加密，管理链路密钥。，包括传递验证和加密，管理链路密钥。（3）逻辑链路控制和适配协议（）逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）：位于基带协议之上，为低层）：位于基带协议之上，为低层的数据服务，向上层提供面向连接和无的数据服务，向上层提供面向连接和无连接的数据服务。连接的数据服务。（4）服务发现协议（）服务发现协议（SDP）：使用）：使用SDP，可以查询到设备和服务类型，从而，可以查询到设备和服务类型，从而在蓝牙设备间建立相应的连接。在蓝牙设备间建立相应的连接。蓝牙蓝牙SIG中定义了几种基本的应用模型中定义了几种基本的应用模型，主要包括文件传输、，主要包括文件传输、Internet网桥、局域网桥、局域网接入、同步、三合一电话（网接入、同步、三合一电话（three-in-one phone）和终端耳机等。）和终端耳机等。在实际生活中，蓝牙的应用也是十在实际生活中，蓝牙的应用也是十分广泛的，涉及到居家、工作、娱乐等分广泛的，涉及到居家、工作、娱乐等方面。方面。市面上的蓝牙产品主要包括蓝牙耳机市面上的蓝牙产品主要包括蓝牙耳机、蓝牙适配器、车载蓝牙多媒体系统、车、蓝牙适配器、车载蓝牙多媒体系统、车载蓝牙电话、蓝牙键盘和鼠标、蓝牙网关载蓝牙电话、蓝牙键盘和鼠标、蓝牙网关、蓝牙无线条码扫描枪等。、蓝牙无线条码扫描枪等。我们可以利用蓝牙技术来连接其他我们可以利用蓝牙技术来连接其他的无线设备、下载照片、进行多人游戏的无线设备、下载照片、进行多人游戏，甚至可以进行自动存取款、订票。这，甚至可以进行自动存取款、订票。这可以为我们的生活带来极大的便利，使可以为我们的生活带来极大的便利，使得物物联网的概念成为现实。得物物联网的概念成为现实。2010年年7月，蓝牙技术联盟（月，蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）宣布正式采纳蓝牙）宣布正式采纳蓝牙4.0核核心规范，并启动对应的认证计划。心规范，并启动对应的认证计划。蓝牙蓝牙4.0的标志性特色是的标志性特色是2009年底宣年底宣布的低功耗蓝牙无线技术规范。预计支布的低功耗蓝牙无线技术规范。预计支持蓝牙持蓝牙4.0标准的设备将于标准的设备将于2010年底或年底或2011年初批量上市。年初批量上市。传统的无线传输技术一般都是带宽受传统的无线传输技术一般都是带宽受限的，系统带宽通常在限的，系统带宽通常在20MHz以下，可以下，可用频谱资源有限和信道的多径衰落特征用频谱资源有限和信道的多径衰落特征是限制传输速率的主要瓶颈。是限制传输速率的主要瓶颈。20世纪世纪60年代年代-主要用于主要用于军事目的，如军事目的，如高功率雷达和保密通信高功率雷达和保密通信1989年年-美国国防部美国国防部提出提出“超宽带超宽带”2002年年2月月-FCC批准将该技术应用于民批准将该技术应用于民用系统用系统，并划分了免授权使用频段并划分了免授权使用频段 若一个信号在若一个信号在20dB处的处的绝对带宽大于绝对带宽大于1.5GHz或或相对带宽大于相对带宽大于25%，则这个信，则这个信号就是超宽带信号号就是超宽带信号.两方面限制两方面限制：绝对带宽绝对带宽（Absolute Bandwidth）或者或者相对带宽相对带宽（Fractional Bandwidth）该该技术的显著特征则是采用技术的显著特征则是采用500MHz至几个吉赫兹至几个吉赫兹的带宽进行高速数据传输的带宽进行高速数据传输，在，在10m距离内提供高达距离内提供高达100Mbit/s以上以上，甚至，甚至1Gbit/s的传输速率，同时与现有的传输速率，同时与现有窄带无线系统很好地共存。窄带无线系统很好地共存。绝对带宽是指信号功率谱最大绝对带宽是指信号功率谱最大值两侧某滚降点对应的上截止值两侧某滚降点对应的上截止频率频率 与下截止频率与下截止频率 之差。之差。10dBHLBff注：实际应用中，绝对带宽有3dB绝对带宽、20dB绝对带宽等不同选择。图：绝对带宽的定义（PSD：信号功率谱密度）相对带宽是指绝对带宽与中心频率之比。由于超宽带系统经常采用无正弦载波调制的窄脉冲信号承载信息，中心频率并非通常意义上的载波频率，而是上、下截止频率的均值。中心频率中心频率：HL2ffHL10dBFractionalHLHL22ffBBffff例如，以10dB绝对带宽计算 的相对带宽为：注：FCC规定UWB信号为绝对带宽 大于500MHz或相对带宽大于20%的无线电信号。UWB通信系统可使用的免授权频段为通信系统可使用的免授权频段为3.110.6GHz共共7.5GHz带宽带宽信号最高功率谱密度为信号最高功率谱密度为41.3dBm/MHz超宽的信号带宽超宽的信号带宽极低的发射功率谱密度极低的发射功率谱密度（1）传输速率高）传输速率高（2）通信距离短）通信距离短（3）系统共存性好，通信保密度高）系统共存性好，通信保密度高（4）定精度极高，抗多径能力强）定精度极高，抗多径能力强（5）体积小、功耗低位）体积小、功耗低位 UWB系统使用高达系统使用高达500MHz7.5GHz的带宽，根据香农信道容量公式的带宽，根据香农信道容量公式，即使发射功率很低，也可以在短距离，即使发射功率很低，也可以在短距离上实现高达几百兆至上实现高达几百兆至1Gbit/s的传输速率的传输速率。高频信号衰落更快，这导致高频信号衰落更快，这导致UWB信信号产生严重的失真。号产生严重的失真。研究表明研究表明:当收发信机之间距离小于当收发信机之间距离小于10m时，时，UWB系统的信道容量系统的信道容量高于传统的窄带系统高于传统的窄带系统;当当收发信机之间距离超过收发信机之间距离超过12m时，时，UWB系统在信道容量系统在信道容量上的优势将不复存在。上的优势将不复存在。极低的功率谱密度极低的功率谱密度（上限仅为上限仅为41.3dBm/MHz）噪声电平噪声电平低，低，与传统的窄带系统有着良与传统的窄带系统有着良好的共存性好的共存性具有很强的隐蔽性具有很强的隐蔽性脉冲宽度一般在亚纳秒级脉冲宽度一般在亚纳秒级很强的穿很强的穿透力，透力，